[發(fā)明專利]基于聲控的神經(jīng)元動作電位發(fā)生器

在審

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• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN106845636A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設計）人: 逯邁;董緒偉;王金龍;聞佳;陳凱
• 申請（專利權）人: 蘭州交通大學
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063;G10L17/02;G10L17/26
• 代理公司: 北京超凡志成知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙)11371
• 代理人: 朱文杰

技術領域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學工程技術領域，特別涉及基于聲控的神經(jīng)元動作電位發(fā)生器。

背景技術

腦科學是21世紀最重要的尖端研究領域之一，上世紀末，全球各國紛紛將腦科學研究提上議程。2013年歐盟委員會宣布將“人類腦計劃”列為“未來新興技術旗艦計劃”，同年，美國啟動名為“腦活動繪圖”的計劃。2013年，中國科學院在其發(fā)布的研究報告《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》中提出，腦科學是“最后的科學堡壘和終極前沿”，2015年，由中華人民共和國科技部、國家自然基金委牽頭的腦科學計劃已提交主管部門，預示著中國即將開始自己的腦研究計劃。

1952年，Hodgkin與Huxley在大量實驗的基礎上，提出了Hodgkin-Huxley模型(HH模型)用于描述神經(jīng)元動作電位的發(fā)放與傳導機制。HH模型采用四階常微分方程準確的描述了神經(jīng)元細胞的電生理特性，是神經(jīng)元模型的典型代表。

在腦科學研究中，用FPGA數(shù)字電路實現(xiàn)的方式來模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)功能一直是一個研究熱點。FPGA硬件具有并行計算、計算速度快的優(yōu)點，在硬件實現(xiàn)生物神經(jīng)元網(wǎng)絡上具有良好的應用前景。2004年，Graas等人運用FPGA芯片研究HH模型極大的提高了數(shù)值模擬神經(jīng)元網(wǎng)絡的運行速度。2006年，原亮等運用FPGA設計并實現(xiàn)了能以閉環(huán)方式進行系統(tǒng)演化的實驗環(huán)境。2007年，Weinstein等人硬件實現(xiàn)了FitzHugh–Nagumo模型神經(jīng)元網(wǎng)絡，并分析了其動力學特性。2011年，張榮華等運用FPGA對Morris-Lecar模型神經(jīng)元網(wǎng)絡進行了硬件仿真，再現(xiàn)了Morris-Lecar神經(jīng)元網(wǎng)絡的非線性動力學特性。2015年，王金龍等運用FPGA對HH模型神經(jīng)元進行了硬件實現(xiàn)。

運用FPGA硬件實現(xiàn)的生物神經(jīng)元及網(wǎng)絡在腦機接口方面具有重要的應用前景及價值。2008年，Kay等解讀了具有語義學獨立特征的物體的fMRI腦信號模式。2008年，GM Mckhann等用人為設置的波形成功控制動物的腦神經(jīng)并驅使動物的軀體。2009年，張韶岷等設計并制造了一套動物腦電信號行為與記錄分析的實驗裝置。2012年，羅勇等設計了一種新型的包括數(shù)據(jù)采集、行為監(jiān)測的動物機器人監(jiān)控系統(tǒng)。2015年，周金治等分析相關系數(shù)，研究了一種新的腦電信號的特征選擇方法。

運用聲音控制的神經(jīng)元可以根據(jù)特定的聲音來發(fā)出特定的神經(jīng)電信號。該特點在可能的應用中可以用來控制包括人造肢體、輪椅的等助殘器械，用以實現(xiàn)傷殘人士利用自身的聲音來控制自己特定的助殘器械，而別人發(fā)出的聲音因無法識別，無法控制該助殘器械。

現(xiàn)有的技術還處于基礎階段，因此仍存在以下缺點：1、現(xiàn)有的技術設備都沒有將現(xiàn)實的聲音信號與電子神經(jīng)元有機的結合起來。2、現(xiàn)有的基于聲控的設備無法識別發(fā)聲個體的音調、語速、音量等特征，使得其他個體的聲音對聲控設備形成干擾。

發(fā)明內容

鑒于上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于聲控的神經(jīng)元動作電位發(fā)生器，可以有效將聲音信號與電子神經(jīng)元有機結合，根據(jù)不同聲音產(chǎn)生不同神經(jīng)元動作電位，實現(xiàn)對發(fā)聲個體的音調、語速、音量的識別，減少其他個體的聲音對聲音控制設備形成的干擾。

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于聲控的神經(jīng)元動作電位發(fā)生器，包括聲電轉換器、A/D轉換器、電子神經(jīng)元和D/A轉換器。

所述聲電轉換器、所述A/D轉換器、所述電子神經(jīng)元和所述D/A轉換器順序電性連接。

所述聲電轉換器用于將用戶的聲音信號轉化為模擬電信號。

所述A/D轉換器用于將所述模擬電信號轉化為數(shù)字電信號。

所述電子神經(jīng)元用于將所述數(shù)字電信號轉化為與用戶的聲音相匹配的神經(jīng)元動作電位數(shù)字信號。

所述D/A轉換器用于將所述神經(jīng)元動作電位數(shù)字信號轉化為神經(jīng)元動作電位模擬信號。

進一步地，所述電子神經(jīng)元運用的神經(jīng)元動作電位發(fā)放與傳導的數(shù)學模型為Hodgkin-Huxley模型。

進一步地，所述電子神經(jīng)元采用FPGA數(shù)字電路設計。

具體地，所述FPGA采用ALTERA公司生產(chǎn)的CycloneⅡ系列EP2C8Q208C8芯片。

進一步地，所述神經(jīng)元動作電位發(fā)生器還包括：信號顯示器，用于將所述神經(jīng)元動作電位模擬信號以波形圖的形式實時顯示。

進一步地，所述聲電轉換裝置包括聲音接收裝置和音頻放大裝置。

具體地，所述聲音接收裝置為駐極體話筒，所述音頻放大裝置采用的芯片為LM386。

進一步地，所述A/D轉換器采用的芯片為ADS822E。